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Tailored electronic structure by sulfur filling oxygen vacancies boosts electrocatalytic nitrogen oxyanions reduction to ammonia

化学 无机化学 法拉第效率 催化作用 硫黄 可逆氢电极 电化学 标准氢电极 亚硝酸盐 阳极 硝酸盐 电极 有机化学 工作电极 物理化学
作者
Zhaodong Niu,Shiying Fan,Xinyong Li,Jing Yang,Jingang Wang,Yiyuan Tao,Guohua Chen
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:451: 138890-138890 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.138890
摘要

Electrocatalytic reduction of nitrogen oxyanions (NOx−, x = 3 and 2) to ammonia (NH3) under ambient conditions is an alternative to the Haber-Bosch process (HBP). Recent catalysts are vulnerable to low-rate and -selectivity NH3 synthesis due to the multi-step electron–proton transfer process and water as a proton donor, especially in neutral media. Herein, we introduce sulfur species into Co3O4 spinel nanosheets (S-Co3O4) inspired by the bio-nitrogenase of metal-sulfur clusters to alleviate the above dilemma. The S5-Co3O4 exhibits an NH3 yield rate of 174.2 mmol h−1 g−1 at − 0.6 V versus reversible hydrogen electrode (RHE) with a Faradaic efficiency of 89.9 %, nitrate (NO3−) as feedstock. Furthermore, nitrite (NO2−) reduction possesses comparable NH3 Faradaic efficiency (87.6 %) and a higher yield rate (314.5 mmol h−1 g−1) at the same conditions. Theoretical calculations demonstrated that sulfur species reduce the free energy change of formation *H, boosting the activation of *NOx (x = 3 and 2). A two-electrode device, S5-Co3O4 as bifunctional catalysts, demonstrates excellent NH3 Faradaic efficiency (>95 %) over a wide voltage range for NO2−RR, while the anode produces high value-added benzoic acid.
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